Байбарак
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ
УНІВЕРСИТЕТ
Центр заочного навчання Кафедра автомобільної електроніки
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсового проекту
з дисципліни: Проектування та розрахунок електрообладнання АТЗ
на тему: Розрахунок генераторної установки АТЗ
Перевірив к.ф.-м.н., доц. |
Ю.М. Бороденко |
Виконав ст. гр. РЕз-51 |
О.Е. Байбарак |
2014
Харківський національний автомобільно-дорожній університет
Факультет ЦЗН Кафедра автомобільної електроніки
Спеціальність 7.092201 – Електричні системи та комплекси транспортних засобів
|
|
|
|
Затверджую: |
|
Зав. кафедрою |
АЕ |
||||
Проф. |
|
|
Бажинов О.В. |
||
" |
|
" |
|
2014р. |
|
|
|
|
|
|
|
Завдання
на курсовий проект студентові
Байбарак О.Е.
1.Тема проекту Розрахунок генераторної установки АТЗ
2.Термін здачі студентом закінченого проекту
3.Вихідні дані до проекту:
3.1 |
рівень напруги що регулюється Uрн 13, 2B; |
|
|
3.2 |
номінальний струм навантаження генераторної установки Iн |
42 A ; |
|
3.3 |
максимальне значення струму навантаження Imax 60 A ; |
|
|
3.4 |
мінімальна частота обертання двигуна n |
720 хв 1 |
|
|
min |
|
|
3.5 |
максимальна частота обертання двигуна n |
3060 хв 1 ; |
|
|
max |
|
|
3.6 |
допустимий рівень пульсації напруги що регулюється U |
5% . |
4.Зміст розрахунково-пояснювальної записки:
4.1Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора;
4.2Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги;
4.3Розрахунок елементів схеми регулятора напруги та вибір елементної бази;
4.4Розрахунок згладжуючих фільтрів;
4.5Оптимізація параметрів елементів схеми за допомогою машинного моделювання;
4.6Перевірка температурної стабільності регулятора напруги;
4.7Розрахунок робочих характеристик генераторного пристрою;
4.8Енергетичний розрахунок регулятора напруги;
5.Перелік графічного матеріалу:
5.1Схема визначення параметрів великого сигналу вихідного транзистора (режими насичення та відсічки);
5.2Схема визначення параметрів великого сигналу вимірювальної частини (режими насичення та відсічки);
5.3Схема регулятора напруги в динамічному режимі;
5.4Результати моделювання роботи регулятора напруги (осцилограми колекторної напруги вихідних транзисторів);
5.5 Графіки залежностей Uср f n ; |
f n ; Iв f n ; f f n . |
ЗМІСТ
1 |
Аналіз початкових даних і визначення параметрів генератора |
..........4 |
2 |
Синтез схеми електричної принципової регулятора напруги ............ |
5 |
3 |
Розрахунок елементів схеми та вибір елементної бази ....................... |
6 |
4 |
Розрахунок згладжуючи фільтрів ........................................................ |
11 |
5 |
Оптимізація елементів схеми за допомогою машинного |
|
|
моделювання .......................................................................................... |
12 |
6 |
Енергетичний розрахунок регулятора напруги.................................. |
13 |
ВИСНОВКИ ................................................................................................ |
14 |
|
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ............................................................................ |
15 |
|
ДОДАТОК А .............................................................................................. |
16 |
|
ДОДАТОК Б ............................................................................................... |
18 |
ЦЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3
Змн. Арк. |
№ докум. |
Підпис Дата |
Розроб. |
Байбарак |
|
Перевір. |
Бороденко |
|
Н. Контр. |
Бикова |
|
Затверд. |
Бажинов |
|
Пояснювальна |
Літ. |
Лист |
Листів |
|
К П |
Р 3 |
18 |
||
|
||||
записка |
|
ХНАДУ |
|
|
|
|
кафедра АЕ |
|
|
|
|
Додаток Б |
Поз. |
|
Найменування |
Кіл. |
Примітка |
познач. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Конденсатори |
|
|
|
Cz |
C-CER 47µF |
|
1 |
|
|
Стабілітрони |
|
|
|
VD1 |
BZX85C6V8 |
|
1 |
|
|
Резистори |
|
|
|
R1 |
МЛТ – 0,5 - 120 Ом ± 5% |
1 |
|
|
R2 |
МЛТ – 0,5 - 330 Ом ± 5% |
1 |
|
|
R3 |
МЛТ – 0,05 – 68 Ом ± 5% |
1 |
|
|
Rz |
МЛТ – 0,125 – 910 кОм ± 5% |
1 |
|
|
Rб |
МЛТ - 0,05 - 39 Ом ± 5% |
1 |
|
|
Rк |
МЛТ - 10 - 15 Ом ± 5% |
1 |
|
|
|
Діоди |
|
|
|
VD2 |
10BQ015 |
|
1 |
|
|
Транзистори |
|
|
|
VT1 |
2N2222A |
|
1 |
|
VT’,VT’’ |
2N3054 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Лист 18
Розрахунок генераторної установки АТЗ
Листів 18
ЦЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3
Змн. Арк. |
№ докум. |
Підпис Дата |
Розроб. |
Байбарак |
|
Перевір. |
Бороденко |
|
Реценз. |
|
|
Н. Контр. |
Бикова |
|
Затверд. |
Бажинов |
|
Літ. |
Арк. |
Акрушів |
Регулятор напруги |
1 |
1 |
|
|
|
Перелік елементів |
ХНАДУ |
|
|
кафедра АЕ |
1. АНАЛІЗ ПОЧАТКОВИХ ДАНИХ І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ГЕНЕРАТОРА
Генераторний пристрій складається з генератора і регулятора напруги та зазвичай являє собою конструктивно закінчений агрегат (регулятор монтується у корпусі генератора). Генераторний пристрій призначено для забезпечення напругою бортових споживачів електроенергії.
Регулятор напруги (РН) виконує широтно-імпульсне регулювання струму в обмотці збудження генератора з метою підтримання постійного рівня напруги бортової мережі при русі автомобіля (трактора) з різною швидкістю та при коливаннях значень струму, що споживається системою електрообладнання. Регулятор напруги є частиною системи автоматичного регулювання напруги бортової мережі та виконує в ній функції від'ємного зворотного зв’язку.
Синтез генераторного пристрою починається з вибору типу генератора. Потужностні параметри генератора повинні задовольняти вимогам, що ставляться з боку навантаження (бортових споживачів електроенергії) та узгоджуватися з швидкісними характеристиками ДВЗ. Необхідно також враховувати умови експлуатації, які зумовлюють тип генератора, додаткові вимоги, що ставляться до схеми регулятора напруги. Як вихідні данні для синтезу та розрахунку генераторного пристрою, згідно варіанту, є:
- рівень напруги, що регулюється Uрн 13,2В ;
- номінальний струм навантаження генераторної установки Iн 42А ; - максимальне значення струму навантаження Imax 60А ;
- мінімальна частота обертання двигуна nmin |
720об/хв; |
- максимальна частота обертання двигуна nmax |
3060об/хв ; |
- допустимий рівень пульсації напруги що регулюється U 5%; |
|
- категорія експлуатації – 1. |
|
На підставі вихідних даних обираємо тип генератора.
Номінальні значення напруги та струму генератора Ugн , Igн можуть відрізнятися від значень напруги, що регулюється Upн та номінального струму навантаження Iн не більш як на 15%.
Кратність частоти обертання генератора повинна бути не менша за кратність обертання двигуна
ng max |
|
n |
|
|
|
max |
. |
|
|
||
nx |
|
nmin |
Згідно з умовами експлуатації вибираємо генератор змінного струму з дзьобоподібним ротором 16.3701.
ФЗН АЕ РЕз51.0000.0010.000 П3
Арк. № докум. Підпис Дата
Арк.
4
Обраний генератор має такі параметри: |
|
- номінальна напруга U gн |
14 В; |
- номінальний струм Igн |
45А ; |
- максимальний струм Ig max 64А ; |
- оберти неробочого ходу (початок віддачі потужності) nх 1150об/хв ;
- номінальна частота обертання nн |
2550об/хв; |
|
- максимальна частота обертання ng max |
5000об/хв ; |
|
- кількість фаз m 3; |
|
|
- кількість пар полюсів p 6 ; |
|
|
- кількість витків фазної обмотки Wф |
54 ; |
|
- кількість витків обмотки збудження Wз |
480; |
|
- опір обмотки збудження rз 2,5Ом . |
|
Відповідно до параметрів вибраного генератора визначаємо його конструктивну сталу:
С |
4k |
k k k k |
|
p |
W 1,05 |
1,97 2,66 0,93 0,96 |
6 |
54 108 . |
0 60 |
|
|||||||
е |
f |
s v |
ф |
60 |
|
|||
|
2. СИНТЕЗ СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ |
|||||||
|
|
|
|
|
РЕГУЛЯТОРА НАПРУГИ |
|||
Схема електронного регулятора напруги складається з вимірювальної |
||||||||
частини та вихідного каскаду. |
|
|
|
|||||
Так як величина пульсацій |
U 5% від рівня напруги Uрн , то в якості |
вимірювальної частини обираємо схему з вимірювальним подільником напруги (рис.2). Вимірювальна частина наведеного регулятора складається з подільника напруги R1, R2 та стабілітрона VD1, який виконує функції елемента формування опорного рівня.
+
R4
R1
VD1
VT1
|
|
|
|
R2 |
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2 – Вимірювальна частина регулятора напруги з використанням вимірювального подільника
Арк.
5
Згідно вихідним даним, опір обмотки збудження генератора має мале значення rз 2,5Ом , тому у вихідне коло потрібно включати транзистор
великої потужності. Альтернативним схемним рішенням є паралельне включення двох транзисторів меншої потужності (рис.3), що, в свою чергу, зменшить вихідний опір каскаду й спричинить збільшення ККД каскаду й регулятора напруги в цілому. Збільшення ККД обумовлюється зменшенням потужності, що розсіюється на колекторних переходах вихідних транзисторів (з-за рахунок зменшення вихідного опору паралельно з’єднаних транзисторів). Тому потужність, що віддається в навантаження зростає. Однак дане схемне рішення має й ряд недоліків, таких як зменшення вхідного опору каскаду й разом з тим погіршення його динамічних властивостей, з-за збільшення величини ємності загального колекторного переходу.
+
ОЗ
VT' VT''
Рисунок 3 – Вихідний каскад регулятора напруги
3. РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ РЕГУЛЯТОРА НАПРУГИ ТА ВИБІР ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ
Дискретне регулювання струму в обмотці збудження передбачає роботу схеми регулятора в двох ключових станах, при яких вихідний транзистор знаходиться або в режимі насичення (відчинений стан), або в режимі відсічки (зачинений стан). При цьому миттєве значення напруги, виробленої генератором, змінюється від напруги спрацьовування U до напруги повернення U'. Значення напруг U і U' визначаються з початкових даних:
U |
Uрн |
0,5 |
U Uрн |
13,2 |
0,5 5% 13,2 |
13,53В; |
U ' |
Uрн |
0,5 |
U Uрн |
13,2 |
0,5 5% 13,2 |
12,87 В |
3.1 Вибираємо тип вихідного транзистора виходячи із співвідношень
Арк.
6
|
|
|
|
|
|
UКmax |
2U ; |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
IК max |
|
(1, 2...1,5) U . |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rз |
|
|
|
|
|
|
|
Дану умову (UК max |
27В; IК max |
7,57А ) при паралельному з’єднанні |
||||||||||||
задовольняє |
транзистор |
2N3054 |
|
(n-p-n), |
з |
параметрами |
UК max |
90В; |
||||||||
IК max |
|
4А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для отримання параметрів великого сигналу транзистора в |
||||||||||||||
електронному пакеті Proteus зберемо схему наведену на рисунку 4. Струм |
||||||||||||||||
навантаження транзисторів візьмемо 0,8 від максимального. Для більш |
||||||||||||||||
наглядного відображення режиму насичення побудуємо графік залежності |
||||||||||||||||
IК |
f |
IБ |
(рис.4). З графіка видно, що режим насичення починається в |
|||||||||||||
момент зламу кривої, й далі струм колектору майже не змінюється, при зміні |
||||||||||||||||
струму бази. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
+30V |
RН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.5R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
AC Amps +6.28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ube |
|
|
|
VT' |
|
VT'' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+0.68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2N3054 |
2N3054 |
+1.76 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
AC Amps |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Volts |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+0.78 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Volts |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 – Схема дослідження параметрів великого сигналу транзисторів |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
та графік залежності IК |
f |
IБ |
|
|
|
|
||||||
|
|
За результатами моделювання отримані такі параметри великого |
||||||||||||||
сигналу Uб0 |
|
0,64В; Uбн |
0,78В; |
Iбн |
0,68А ; Uкн |
1,755В; Iкн |
6,27А . |
|||||||||
|
|
На основі параметрів великого сигналу обраного транзистора, |
||||||||||||||
визначаємо його інваріантні параметри: вихідний та вхідний опір в стані |
||||||||||||||||
насичення та статичний коефіцієнт передачі струму |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
rкн |
Uкн |
|
1,755 |
0,28Ом , |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Iкн |
|
6,27 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Uбн |
Uб0 |
0,78 |
|
0,64 |
0,206Ом , |
|
|
|
||||
|
|
|
|
rбн |
Iбн |
|
0,68 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Арк. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
Iкн |
|
6, 27 |
9, 22 . |
|
Iбн |
0,68 |
|||
|
Визначаємо режим роботи кінцевого транзистора
Iк |
|
U |
13,53 |
|
4,86 А |
; |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
rкн |
rз |
0, 28 |
2,5 |
|||||||
|
|
|
||||||||
Iб |
|
Iк |
S |
|
4,86 1,5 |
|
0,79 А ; |
|
||
|
|
|
9,22 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uбе Uб0 Iб |
rбн |
0,64 |
0,79 0,206 |
0,8В , |
де S 1,5 – коефіцієнт насичення.
З метою поліпшення термостабільності характеристики (виключення впливу зворотного струму колектору) та підвищення електричної міцності колекторного переходу вихідного транзистора в зачиненому стані при перехідних процесах в реактивному навантаженні (обмотці збудження), емітерний перехід транзистору шунтують опором Rб виходячи з власних параметрів транзистора
Rб |
Uб0 |
|
|
|
0,64 |
40Ом . |
|
2IК max |
10 |
3 |
2 8 10 3 |
||||
|
|
Струм через шунтуючий резистор становить
IR |
Uбe |
|
0,8 |
0,02 А . |
|
Rб |
40 |
||||
|
|
Для забезпечення заданого режиму транзистора визначимо величину опору обмежуючого резистора, який є одночасно і колекторним навантаженням попереднього каскаду
RК |
U |
Uбе |
|
13,53 |
0,8 |
15,67 Ом . |
|
Iб |
IR |
0,79 |
0,02 |
||||
|
|
3.2. Вибір стабілітрона VD1 і транзистора вимірювальної частини VT1 виконується одночасно на підставі співвідношень
U |
|
0,5U , |
I |
|
Iк1max |
, |
U |
|
2U , |
I |
|
I |
|
, |
|
P |
ст min |
β1 |
К1max |
К1max |
ст max |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
де UР – напруга пробою стабілітрона; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Іст min, |
|
Iст max – |
мінімальний |
та |
максимальний |
струм |
|
стабілізації |
|||||||
стабілітрона. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Арк.
8
|
Так як навантаженням транзистора вимірювальної частини VT1 є RК то |
|||||||||||
його максимальний струм |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
IК1max |
U |
13,53 |
|
0,86 А . |
|
|
||
|
|
|
|
RК |
15,67 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
З елементної бази Proteus вище зазначеним вимогам задовольняють |
|||||||||||
стабілітрон BZX85C6V8 UP |
6,81В ; Iст min |
|
10,1мА та транзистор 2N2222A |
|||||||||
UК max |
40В ; IКmax |
0,8А . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Для отримання параметрів великого сигналу транзистора VT1 в |
|||||||||||
електронному пакеті Proteus зберемо схему наведену на рисунку 5 та |
||||||||||||
побудуємо графік залежності |
IК |
f |
IБ . Струм навантаження транзисторів |
|||||||||
візьмемо 0,8 від максимального. В результаті моделювання отримані такі |
||||||||||||
параметри великого сигналу транзистора: |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Uб01 |
0,68В ; Uбн1 |
0,96В ; |
Iбн1 |
7,5мА ; Uкн1 |
0,42В; Iкн1 |
0,64А. |
|||||
|
|
+30V |
RН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+0.64 Amps |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ube |
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
+0.01 |
|
2N2222A |
+0.42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Amps |
|
|
|
Volts |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+0.96 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Volts |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 5 – Схема дослідження параметрів великого сигналу транзистору |
|||||||||||
|
|
|
|
та графік залежності IК |
f |
IБ |
|
|
||||
|
На основі параметрів великого сигналу обраного транзистора, |
|||||||||||
визначаємо його інваріантні параметри: вихідний та вхідний опір в стані |
||||||||||||
насичення та статичний коефіцієнт передачі струму |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
rкн1 |
Uкн1 |
0,42 |
0,65Ом , |
|
|
|||
|
|
|
|
Iкн1 |
0,64 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
rбн1 |
Uбн1 |
Uб01 |
0,96 |
0,68 |
37,3Ом , |
|
|||
|
|
|
Iбн1 |
|
0,0075 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Iкн1 |
|
0,64 |
|
85,73 . |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Iбн1 |
0,0075 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Арк. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |